Цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП Российский патент 2023 года по МПК G01K7/16 G05B19/42 H03M1/38 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) и может быть использовано в цифровых сенсорах и сенсорных системах для измерения температуры и напряжения аналоговых сигналов.

Уровень техники

Известен АЦП, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, первый, второй и третий резисторы, первые выводы которых подключены к первому входу, встроенному в микроконтроллер аналоговому компаратору (АК). Второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания, вторые выводы третьего резистора и конденсатора подключен к минусу источника питания, первый резистор выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к порту микроконтроллера, второй вход АК подключен к источнику входного напряжения (см. пат. РФ № 2298872, кл. H 03 M1/38).

Недостаток известного решения - низкая точность преобразования.

Известен микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем, первые выводы конденсатора и первого резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер АК, второй вывод первого резистора подключен к первому дискретному выходу микроконтроллера, первые выводы второго и третьего резисторов подключены ко второму входу АК, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены, соответственно ко второму и третьему дискретным выходам микроконтроллера, второй вывод конденсатора подключен к четвертому дискретному выходу микроконтроллера, первый вывод четвертого резистора подключен к источнику аналогового сигнала (ИАС), второй вывод четвертого резистора подключен ко второму выводу третьего резистора (см. пат. РФ № 2523208, кл. H03M 1/38).

Недостаток известного решения - низкая точность преобразования, обусловленная отсутствием источника опорного напряжения (ИОН). Известно, что точность АЦП зависит от точности ИОН (Под ред. Уолта Кестера. Аналого-цифровое преобразование. Москва: Техносфера, 2007. - 1006 с. ISBN 978 -5-94836-146-8).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, резистор, ИОН, причем, первые выводы конденсатора и резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер АК, первый вывод ИАС подключен к общей шине питания, второй вывод ИАС подключен к второму входу АК микроконтроллера, к выходу ИОН подключен второй вывод резистора (см. пат. РФ № 2726292, кл. H03M 1/82).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, а именно - отсутствует функция измерения температуры, что ограничивает область применения микроконтроллерного RC-АЦП, например, для построения цифровых сенсоров и беспроводных сенсорных систем, также отсутствует возможность повышения точности преобразования путем температурной коррекции преобразовательной характеристики микроконтроллерного RC-АЦП.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей устройства.

Технический результат достигается тем, что в цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП содержащий: микроконтроллер, конденсатор, резистор, ИОН, первые выводы конденсатора и резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер АК, второй вывод резистора подключен к выходу ИОН, первый вывод ИАС подключен к общей шине питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введены источник тока и полупроводниковый диод, причем второй вывод ИАС подключен к первому входу аналогового мультиплексора (АМ), встроенного в микроконтроллер, анод полупроводникового диода и выход источника тока подключены к второму входу АМ, встроенному в микроконтроллер, катод полупроводникового диода подключен к общей шине питания.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема цифрового сенсора температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП.

Осуществление изобретения

Цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП содержит: (фиг.) микроконтроллер 1, ИОН 2, резистор 3, конденсатор 4, источник тока 5 и полупроводниковый диод 6. Резистор 3 и конденсатор 4 первыми выводами подключены к первому входу АК, встроенного в микроконтроллер 1, (на фиг. АК не показан), выход ИОН подключен к второму выводу резистора 3, второй вывод конденсатора 4 подключен к общей шине питания, выход источника тока 5 и анод диода 6 подключены к первому входу АМ, встроенного в микроконтроллер 1 (на фиг. АМ не показан), первый вывод ИАС подключен к первому входу АМ, второй вывод ИАС и катод диода 6 подключены к общей шине питания.

Цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП работает в двух режимах следующим образом.

Первый режим (преобразование входного напряжения в двоичный код).

Микроконтроллер 1 подключает первый вход АМ к второму входу АК. В начале каждого цикла преобразования микроконтроллер 1 настраивает вывод, к которому подключен первый вход АК на выход и выводит логический ноль (лог.0). Конденсатор 4 разряжается на внутреннюю общую шину микроконтроллера 1 (внутренняя общая шина микроконтроллера 1 на фиг. не показана). Микроконтроллер 1 удерживает лог.0 на данном выводе некоторое время, необходимое для полного разряда конденсатора 4. Затем микроконтроллер 1, переводит этот вывод в высокоомное состояние и запускает внутренний двоичный счетчик тактовых импульсов. Конденсатор 4 начинает заряжаться от ИОН. Как только напряжение Uc на конденсаторе 4 превысит напряжение ИАС, действующего на втором входе АК, последний изменит на своем выходе логический уровень. По этому событию микроконтроллер 1 считывает двоичный код счетчика тактовых импульсов. Двоичный код пропорционален времени t заряда конденсатора 4. Микроконтроллер 1 определяет Uc, используя известное выражение: Uc = Uref ⋅ (1 ⋅ е^-t/τ), где τ = RC - постоянная времени RC-цепи (известна); Uref - значение напряжения ИОН (известно).

На этом цикл преобразования напряжения ИАС закончен. Результат преобразования микроконтроллер 1 в форме двоичного кода может сохранять в памяти или передавать в измерительные цифровые системы более высокого уровня, используя стандартные интерфейсы.

Затем микроконтроллер 1 переходит к измерению температуры. Известно, что при прямом включении полупроводникового диода, при фиксированном значении тока, протекающего через диод, на диоде формируется прямое напряжение (Uпр). Значение Uпр пропорционально зависит от температуры диода, а, следовательно, может использоваться для измерения температуры среды, в которой находится диод. Таким образом, измерение температуры сводится к измерению напряжения, падающего на диоде, с последующим переводом напряжения в градусы по известным методам.

Преобразование напряжения Uпр, падающего на диоде 6 при протекании через диод 6 фиксированного тока от источника тока 5, микроконтроллер 1 осуществляет аналогично преобразованию входного напряжения ИАС. Разница заключается только в том, что микроконтроллер 1 подключает второй вход АМ к второму входу АК и осуществляет сравнение напряжения Uc на конденсаторе 4 с напряжением Uпр, падающим на диоде 6.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом имеет преимущество - расширены функциональные возможности устройства, а именно - реализована функция измерения температуры диода, а, следовательно, и среды, в которой находится полупроводниковый диод. Таким образом, данное микроконтроллерное устройство может быть использовано в качестве цифрового сенсора температуры и в качестве аналого-цифрового преобразователя, что расширяет область его применения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям (АЦП), и может быть использовано в цифровых сенсорах и сенсорных системах для измерения температуры и напряжения аналоговых сигналов. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей. Цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП содержит микроконтроллер 1, источник опорного напряжения (ИОН) 2, резистор 3, конденсатор 4, источник тока 5 и полупроводниковый диод 6. Резистор 3 и конденсатор 4 первыми выводами подключены к первому входу аналогового компаратора (АК), встроенного в микроконтроллер 1. Выход ИОН подключен к второму выводу резистора 3. Выход источника тока 5 и анод диода 6 подключены ко второму входу аналогового мультиплексора (АМ), встроенного в микроконтроллер 1. Первый вывод источника аналогового сигнала (ИАС) подключен к первому входу АМ. Второй вывод конденсатора 4, второй вывод ИАС и катод диода 6 подключены к общей шине питания. 1 ил.

Цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП содержит: микроконтроллер, конденсатор, резистор, источник опорного напряжения (ИОН), первые выводы конденсатора и резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер аналогового компаратора, второй вывод резистора подключен к выходу ИОН, первый вывод источника аналогового сигнала подключен к общей шине питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введены источник тока и полупроводниковый диод, причем второй вывод источника аналогового сигнала подключен к первому входу аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, анод полупроводникового диода и выход источника тока подключены к второму входу аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, катод полупроводникового диода подключен к общей шине питания.